Il y a maintenant presque 2 ans, j'avais publié dans ce forum une synthèse que j'avais faite sur le Véhicule Électrique (VE). Je l'ai un peu remise à jour. La voici pour ceux que ça intéresse:
La voiture électrique n'en est qu'à ses tous premiers balbutiements, au stade où en était sans doute la voiture thermique au tout début du 20ème siècle. Mais elle va émerger sans aucun doute, parce que potentiellement elle présente de nombreux avantages par rapport à la voiture thermique que nous connaissons: simplicité du moteur électrique par rapport au moteur thermique, performances du moteur électrique en termes de rendement, couple, densité de puissance, fiabilité, gestion par électronique, prix et encombrement faibles par rapport au moteur thermique et donc facilité à installer un moteur par roue avec tous les avantages que cela comporte (concept "Michelin Active Wheel" par exemple), silence de fonctionnement, pas de pollution au niveau de la voiture elle même, très grande facilité de récupérer l'énergie cinétique comme le font les hybrides actuellement, etc.
Quand cela va t-il avoir lieu? Impossible à dire... Beaucoup de problèmes restent à résoudre encore pour atteindre le niveau de confort d'utilisation actuel des voitures thermiques. Je lis beaucoup d'articles sur le sujet et les experts, les entreprises diverses (automobiles, pétrolières, producteurs d'électricité comme EDF, etc.) sont loin d'être d'accord sur ce point.
Il est donc tout à fait légitime de s'intéresser à ce sujet pour mieux comprendre les avantages et faiblesses actuelles des divers types de véhicules.
Il est tout d'abord important de bien avoir en tête que dans le développement de la VE, il n'y a qu'un et un seul problème à résoudre pour faire en sorte que son essor se matérialise réellement: le stockage de l'électricité. Tout le reste c'est à dire le véhicule proprement dit et les moteurs électriques sont des technologies bien au point depuis des lustres. Les trains, les trams, les métros, la plupart des mécanismes et équipements dans l'industrie fonctionnent à l'électricité directement alimentée par le réseau. La VE a besoin d'être autonome et doit donc embarquer son "stock" d'électricité (via des batteries, des super-condensateurs,...) ou disposer d'un moyen efficace et non polluant de fabriquer l'électricité sur place (piles à combustibles,...).
Comme je l'indiquais dans ce même forum il y a quelque temps, il y a trois voies en cours de développement pour la voiture électrique qui se différencient par leur façon de stocker l'électricité:
1) La VE sur batterie, qui représente plus de 99 % du marché actuel de la VE. C'est une voie pas encore au point techniquement. Si tout le monde basculait sur cette technologie, nous aurions un problème de disponibilité du Lithium. Par ailleurs, cette voie n'est pas propre sur le plan environnemental, car la production de batteries au Li nécessite beaucoup d'électricité (il faut 162 KWH d'électricité pour produire 1 KWH de batteries!). Avec une électricité européenne relativement propre (160 g de CO2 pour fabriquer 1 KWh d'électricité), il faut faire 45 000 km avec une Zoé pour simplement neutraliser le CO2 produit pour fabriquer ses batteries, et 130 000 km avec une Tesla Model SP100D! Si vous faites faire ces batteries en France ou en Suède (électricité propre en CO2), il faudra parcourir 3 à 4 fois moins de km. Si par contre ces batteries sont produites en Chine (1000 g de CO2/KWh produit!), ce qui est souvent le cas, ou en Inde, ou en Pologne, il vous faudra faire 6 à 9 fois plus de km! Donc on voit bien que cette technologie ne tient pas bien la route encore. Mais beaucoup de recherches sont en cours pour remplacer le Li par d'autres métaux, et pour produire ces batteries avec moins d'électricité...
2) La voiture à hydrogène ou dite à pile à combustible. Ici l'électricité est stockée sous forme d'hydrogène. Cet hydrogène, avec l'oxygène de l'air, passe à travers une pile à combustible qui transforme ce mélange gazeux en électricité et eau. Cette électricité sert ensuite à alimenter la VE.
Seuls trois constructeurs se sont lancés sur cette technologie complexe, au rendement pas très bon (50 à 60 % sur la pile à combustible), et qui nécessite des infrastructures lourdes pour le stockage et la distribution d'hydrogène: Toyota, Honda et Hyundaï.
Sur le plan environnemental, tout dépend là aussi de la façon dont cet hydrogène est fabriqué.
On peut casser des molécules de gaz (méthane, éthane, etc.) par vaporéformage pour produire de l'hydrogène, et du CO2!!!! Il faut beaucoup d'énergie pour le faire et en plus ce procédé produit, outre de l'hydrogène, du CO2 dont justement on ne veut plus! Mais c'est relativement bon marché (moins de 2€/kg d'H2).
On peut l'obtenir par l'hydrolyse de l'eau. Ce procédé demande encore plus d'énergie pour casser la molécule d'eau en H2 et O2, est cher (plus de 4 €/kg d'H2), mais est propre si l'électricité utilisée pour l'hydrolyse est "propre" en CO2. Et je pense que c'est vers cette voie que la production d'H2 va s'orienter. En effet si un champ d'éoliennes ou de panneaux solaires disons en bordure de mer (l'eau est déjà salée et conduit donc l'électricité) produit de l'électricité à un moment où la demande est faible, un moyen de stocker cette électricité est de faire l'électrolyse de l'eau pour en faire de l'H2 qui sera ensuite réutilisé sur une pile à combustible pour en restituer du courant. Beaucoup de développements sont en cours dans ce domaine en France (pilote industriel "Myrte" en Corse qui fonctionne depuis plusieurs années déjà, nouveau projet à Fos sur Mer), aux Pays-Bas et en Allemagne entre autres.
3) enfin il y a la voie dite "super-condensateurs". On n'en est qu'au stade expérimental, mais une ligne de bus de ville est déjà en service en Chine (Shanghai) sur cette technologie (à noter que le système "Start & Stop" de Peugeot, réputé être le meilleur du marché, est basé sur cette technologie. Idem pour certains systèmes KERS en sport auto). Les super-condensateurs ont plein d'avantages par rapport aux 2 autres technologies (simples, se chargent presque instantanément, peuvent délivrer une puissance énorme immédiatement, ils ne contiennent pas de métaux rares ou sophistiqués, ils sont insensibles au nombre de charges et décharges, etc.) mais ils présentent encore un énorme désavantage: ils ne stockent que très peu d'électricité... La densité énergétique d'un kg d'essence ou de gasoil avoisine les 13 000 Wh/kg. Une batterie Li - ion avoisine les 130 Wh/kg (100 fois moins qu'un carburant fossile!), et un super-condensateur classique avoisine les 30 Wh/kg! Là aussi beaucoup de recherches sont en cours et des laboratoires annoncent des super-condensateurs au graphène qui arriveraient à 157 Wh/kg, c'est à dire à faire autant que les batteries au Li actuelles...
Pour bien comprendre les avantages et inconvénients de ces divers systèmes de stockage de l'électricité, j'ai condensé dans un tableau les principales caractéristiques des divers systèmes énergétiques:
Je ne vais pas commenter tous les éléments de ce tableau mais seulement la colonne "Densité énergétique".
On voit qu'un kilogramme d'essence (soit 1,33 litres) ou de diesel (soit 1,2 litres) a une densité énergétique de 13000 Wh environ.
Or les batteries actuelles Li-ion qui équipent nos VE ont des densités énergétiques de 120 – 130 Wh/kg environ, soit 100 fois moins. Le tableau indique qu'elles peuvent monter jusqu'à 265 Wh/kg mais on n'en trouve pas sur le marché à ce niveau de densité énergétique.
L'hydrogène a quant à lui une densité énergétique supérieure à ce que nous connaissons avec nos carburants fossiles. Elle est environ 2,7 fois plus importante (34440 Wh/kg).
En matière de contenu énergétique, on a donc l'équivalence suivante:
1 kg carburant fossile = 100 kg de batteries Li – ion = 0,38 kg d'H2
L'énergie nucléaire (fission de l'atome) a un contenu énergétique énorme, de l'ordre de 170 000 fois supérieur à l'essence ou au diesel! Ne nous étonnons pas si c'est la technologie utilisée dans nos sous-marins ou notre porte-avion. Un sous-marin nucléaire pourrait rester sous l'eau 7 à 10 ans à 25 nœuds de vitesse sans jamais remonter, tout en traitant comme il se doit les facilités courantes (air, eau, déchets, chauffage/climatisation). Sa seule limitation (de l'ordre de 70 jours en mission) est la quantité de vivres pour l'équipage et la santé mentale du personnel à bord. Toutefois les réacteurs nucléaires K15 qui équipent ces engins sont énormes à l'échelle d'une voiture (3 mètres de diamètre, 5 mètres de haut) et sont déjà des miniaturisations de réacteurs de centrales nucléaires. En plus le réacteur nucléaire lui même ne sert qu'à produire de la vapeur d'eau à hautes température et pression. Il faut turbiner derrière cette vapeur pour en tirer de l'énergie mécanique ou électrique. Cela veut dire concrètement qu'il y a derrière pleins d'autres équipements à installer (Groupe Turbo Alternateurs, turbines, échangeurs de chaleur...). Ne nous attendons pas à voir ce type d'engins arriver sur nos véhicules... Je n'en parlerai donc plus.
Si les différentes sources d'énergie ont des contenus énergétiques différents comme nous venons de le voir, il y a un autre facteur important à prendre en compte pour déterminer les performances des véhicules en matière de poids versus autonomie: l'efficacité avec laquelle le véhicule utilise cette énergie pour se mouvoir, c'est à dire les rendements intrinsèques à chaque type de technologie.
Prenons pour référence une VT diesel de classe moyenne consommant 6 litres de gasoil aux 100 km en mixte.
On sait qu'un moteur diesel réglé au quart de poil, fonctionnant en permanence à son régime d'efficacité maximal (régime du couple maxi) peut avoir un rendement sortie vilebrequin de l'ordre de 40 %, soit de l'ordre de 35 % sur les roues. Dans la réalité quotidienne les choses sont bien plus mauvaises que cela car le moteur est loin de fonctionner à son régime optimal en permanence, et n'est pas en conditions idéales tout le temps (moteur fonctionnant à froid par exemple). On considère en général un rendement de 20 à 25 % sur les roues. Si nous prenons pour les besoins de l'exemple 22,5 % de rendement sur les roues, cela veut dire que l'énergie pour mouvoir le véhicule sur 100 km n'a été que 0,225 x 6 x 0,833 x 12712 = 14295 Wh. Tout le reste de l'énergie est partie en chaleur et en poussières (plaquettes de freins, usure des pneus, de l'asphalte, usure du moteur)...
Une VE sur batterie a un bien meilleur rendement. On considère généralement des rendements de l'ordre de 90 % sur l'axe des moteurs électriques, soit 85 % sur les roues. Donc pour faire les mêmes 100 km avec une VE, ces 14295 Wh demanderont sur les batteries 16818 Wh d'électricité. Avec des batteries Li – ion de 125 Wh/kg, il faudra donc 134 kg de batterie pour faire 100 km.
Qu'en est t-il de la voiture à pile à combustible? Les piles à combustible sont connues pour avoir des rendements de l'ordre de 50 à 60 %. Prenons 55 % pour les besoins de la cause. L'ensemble "moteurs électriques + transmissions en aval de la pile à combustible" aura toujours un rendement de 85 % comme nous l'avons pris pour la VE sur batterie. Donc la VE sur pile à combustible aura un rendement intégré de 0,55 x 0,85 = 0,47 (ou 47 %).
Les 14295 Wh pour mouvoir le véhicule sur 100 km exigeront donc une énergie de 30 415 Wh en hydrogène, soit 30 415/34 440 = 0,88 kg d'H2. On n'est pas loin des 1 kg d'H2 aux 100 km qu'annoncent les fabricants de véhicules à piles à combustible...
Pour nous résumer avec les hypothèses prises, faire 100 km demandera:
- 6 litres de gasoil pour une VT de classe moyenne
- 135 kg de batteries Li – ion chargés à bloc pour une VE sur batterie
- 0,88 kg d'hydrogène pour une VE à pile à combustible.
A première vue on se dit que la voiture à pile à combustible est l'avenir de la VE car ne nécessitant que peu de carburants par rapport à la VT...
Le problème est là aussi plus complexe car l'hydrogène est un gaz très léger qui occupe beaucoup de place. Une mole d'hydrogène, soit 2 grammes, occupe un volume de 22,4 litres à température normale (20 °C) et pression atmosphérique normale (1 atmosphère). Donc simplement pour stocker ces 0,88 kg nous permettant de ne faire que 100 km, il faudrait un réservoir de (880/2) x 22,4 = 9856 litres! Impensable sur une voiture...
Il faut donc le compresser pour qu'il occupe moins de place, car l'avoir sous forme liquide nécessiterait des températures de l'ordre de – 240 °C! Irréaliste sur une voiture pour différentes raisons que je ne vais pas développer ici. Or si ce même hydrogène est compressé à 700 bars (ce qui est le cas par exemple sur la Honda Clarity Fuel Cell), on peut obtenir 40 kg d'H2/m3.
Donc stocker sous 700 bars 5 kg d'H2 demandera un réservoir de 125 litres, et assurera une autonomie à la voiture de (5/0,88) x 100 = 568 km.
Honda garantit pour sa voiture 650 km avec 5 kg d'H2 sous 700 bars dans un réservoir principal de 117 litres + un réservoir annexe de 24 litres. On n'est pas loin du compte.
Mais un tel réservoir, même si sa taille reste somme toute raisonnable, doit pouvoir résister à 700 bars de pression et ce dans des conditions extrêmes (accident, incendie). Il est donc très renforcé et sans doute relativement lourd (je n'ai pas réussi à trouver des données sur le sujet).
Au total la voiture, avec sa pile à combustible, sa batterie Li-ion d'appoint à l'accélération de 1,7 KWh qui se recharge sur la pile à combustible, et son réservoir d'hydrogène, pèse 1840 kg. On est dans la même zone de poids qu'une VE moyenne sur batteries!
Conclusion:
La VT a plus d'un siècle d'existence et a atteint, malgré sa complexité, un degré de confort d'utilisation et de fiabilité absolument remarquable. Son seul défaut est de polluer l'environnement (CO2 et autres molécules à l'état de traces). Elle verra donc dans les années à venir son coût augmenter parce que les normes actuelles de rejets polluants seront de plus en plus strictes et il faudra qu'elle s'adapte pour survivre.
La VE sur batteries est simple de concept, mais présente aussi de nombreux inconvénients à l'heure actuelle.
Tout d'abord la production de ses batteries est énergivore en électricité et est polluante si elle s'effectue avec de l'électricité "sale" en CO2, ce qui est le cas actuellement.
Il faut embarquer des centaines de kg de batterie pour obtenir une autonomie assez minable (300 à 400 km) et le plein d'électricité ne se fait pas en 5 minutes comme sur une VT!
Par ailleurs les performances de ses batteries se dégradent au fur et à mesure des charges et décharges, comme sur nos Smartphones...
Le Lithium deviendra aussi de plus en plus cher au fur et à mesure de sa pénétration, car ce n'est pas un métal aussi banal/courant que le fer ou l'aluminium.
Mais elle n'en est qu'à ses débuts.
La VE sur pile à combustible est plus compliquée de concept que la VE sur batterie, et n'est pas non plus la panacée!
L'hydrogène pour l'alimenter n'est pas nécessairement propre non plus s'il est fait à partir d'énergie fossile (gaz).
Le réseau d'hydrogène n'existe pas en France, ni en Europe d'ailleurs.
Par ailleurs une VE sur pile à combustible pèse lourd à cause de sa complexité et de son réservoir d'hydrogène très renforcé.
Les piles à combustible actuelles fonctionnent avec du platine comme catalyseur. Là non plus ce n'est pas un métal classique bon marché. On peut s'attendre à une augmentation de prix si cette technologie venait à pénétrer le marché.
Mais elle présente quelques avantages par rapport à la VE sur batteries. Elle a d'ores et déjà une plus grande autonomie et surtout faire le plein à la pompe d'hydrogène, lorsqu'il y en aura, ne prendra pas plus de temps que pour une VT.
Mais elle, plus encore que la VE sur batterie, n'en est qu'à ses tous premiers pas!
La VE à super-condensateurs. J'en ai très peu parlé car elle n'existe pas encore. On ne verra les premiers prototypes je pense que lorsque les super-condensateurs au graphène arriveront sur le marché.
Potentiellement elle présente de nombreux avantages par rapport à toutes les autres VT et VE. C'est une technologie encore plus simple que pour la VE sur batteries car l'électricité n'est pas stockée sous forme électrochimique comme dans les batteries, mais sous forme électrostatique. Ils se chargent donc très rapidement et peuvent délivrer de très grandes puissances de manière quasi instantanée, comme la foudre (voir la densité de puissance dans le tableau que je vous ai fourni).
Aussi la performance d'un super-condensateur est insensible au nombre de charges et décharges.
Et jusqu'à preuve du contraire, il n'y a pas de métaux rares dans la conception des super-condensateurs.
Attendons de voir arriver les premiers prototypes pour mieux juger.
Cette petite étude nous permet j'espère de toucher du doigt la diversité et la complexité des solutions envisageables pour remplacer la VT dans le futur.
Mettons nous dans la peau d'un constructeur automobile bien établi... Ce n'est pas simple pour lui de définir une stratégie dans ce maelström! C'est d'ailleurs ce qu'exprime Carlos Tavarez à chaque intervention.
). la solution consiste donc à réussir a générer de l'électricité en roulant; ce qui abaisserai le poids des batteries. mais est ce si simple.....
